Быстродействующий сцинтилляционный детектор нейтронного излучения

Полезная модель относится к устройствам детектирования нейтронов в диапазоне от 0,025 эВ до 10 МэВ и может быть применена для регистрации нейтронных потоков в широких атмосферных ливнях (ШАЛ) и в других задачах, где требуется регистрация интенсивного нейтронного излучения (импульсные нейтронные источники, ускорители частиц и т.д.). Технический результат: упрощение и удешевление конструкции, улучшение характеристик в части возможности вести регистрацию с высокой чувствительностью (до 1,0 импульс/нейтрон/см ²) быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов в диапазоне от 0,025 эВ до 10 МэВ при загрузках до 10⁶ нейтрон/см ²/с. Заявленный технический результат достигается за счет того, что быстродействующий сцинтилляционный детектор нейтронного излучения, состоящий из корпуса, изготовленного из полиэтилена, ФЭУ, системы высоковольтного питания ФЭУ с формирователем выходного сигнала, датчика-сцинтиблока, включающего входной замедлитель нейтронов, сцинтиллятор с борсодержащей добавкой в качестве чувствительного объема детектора, причем сцинтиллятор расположен за входным замедлителем нейтронов, отличающийся тем, что в качестве борсодержащей добавки использован ортокарборан, причем исходный гранулят содержит очищенный вазелин, чувствительный объем расположен между слоями полиэтилена и полиметилметакрилата, функция которого также служить световодом.

Область применения

Полезная модель относится к устройствам детектирования нейтронов в диапазоне от 0,025 эВ до 10 МэВ и может быть применена для регистрации нейтронных потоков в широких атмосферных ливнях (ШАЛ) и в других задачах, где требуется регистрация интенсивного нейтронного излучения (импульсные нейтронные источники, ускорители частиц и т.д.).

Уровень техники

Известен селективный детектор нейтронов (Селективный детектор нейтронов. Патент США 3688118, G01Т 1/00, 1/20, 1972). Он содержит электронный блок информации и два датчика, один из которых чувствителен к заряженным частицам и нейтронам, а другой - только к заряженным частицам. Число регистрируемых нейтронов определяется разностным сигналом с датчиков, выделяемым с помощью электронного блока. Однако для датчика, чувствительного одновременно к заряженным частицам и нейтронам, эффективность регистрации нейтронов не может быть высокой. Известный детектор нейтронов не пригоден для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, он не является всеволновым детектором нейтронов. Известен сцинтилляционный детектор СПС-Т4А (Пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А. Сухуми. Рекламный листок Сухумского физико-технического института, 1990). Датчик детектора представляет собой пластмассовый сцинтилляционный детектор СПС-Т4А, предназначенный для регистрации быстрых нейтронов. Детектор имеет следующие характеристики: длительность сцинтиимпульса, создаваемого нейтронами - 8,5 нc; световой выход (УЕСВ по ГОСТ 23077-78) при возбуждении электронами с энергией 662 кэВ - 0,29; максимум спектра люминесценции - 490 нм, диаметр и высота - до 50 мм. Однако такой детектор не пригоден для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов, он не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор для измерения нейтронов и гамма-лучей (Патент США 4482808, G01Т 3/06, 1984). Детектор содержит датчик-сцинтиблок, в частности сцинтилляционный однокристальный датчик, чувствительный одновременно к нейтронам и гамма-лучам, и блок электронной обработки сигналов, включающий в себя электронную схему селекции для разделения сигналов (импульсов), генерируемых нейтронами и гамма-лучами. Однако известный однокристальный датчик не является оптимальным для одновременной регистрации быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Описываемый детектор не обладает функциональными возможностями, необходимыми для одновременной регистрации быстрых и тепловых нейтронов, он не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор для регистрации ионизирующего излучения (Детектор для регистрации ионизирующего излучения). Патент РФ 2088952. Бюл. 24. 27.08.1997). Известный детектор содержит датчик-сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов. Датчик-сцинтиблок состоит из последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi4Ge 3O12, чувствительного к протонному, рентгеновскому, а также , , -излучениям, и световода, изготовленного из органического сцинтиллирующего вещества на основе стильбена или пластмассы (СН)n, чувствительного к быстрым нейтронам, а также фотоэлектронного умножителя, преобразующего световые вспышки (сцинтилляции) в электрические сигналы. Блок электронной обработки сигналов включает в себя схему временной селекции сцинтиимпульсов, поступающих в него как от сцинтиллятора Bi4Ge 3O12 (длительностью 300 нc), так и от сцинтиллирующего под действием быстрых нейтронов световода (с длительностью сцинтилляций 5-7 нc). Однако данный детектор, будучи чувствительным к быстрым нейтронам, не чувствителен к тепловым нейтронам и не пригоден для их регистрации. Известный сцинтилляционный детектор не является всеволновым детектором нейтронов.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов и гамма-излучения (Сцинтилляционный детектор нейтронного и гамма-излучения. Патент РФ 2189057. Бюл. 25. 10.09.2002). Детектор содержит датчик-сцинтиблок, включающий в себя пластиковый сцинтиллятор, (n, , )-конвертор из карбида или нитрида бора, сцинтилляционный кристалл Nal-Tl и фотоэлектронный умножитель, а также блок электронной обработки информации. Однако такой детектор имеет целый ряд недостатков: эффективность фотосбора сцинтилляций, возникающих в пластике от быстрых нейтронов, невысока по целому ряду причин: (а) пластик соприкасается с фотоприемником (ФЭУ) не всей плоскостью, а только по периферийному кольцу; (б) площадь соприкосновения пластика с окном ФЭУ составляет 30-40% от площади окна, поэтому эффективность фотосъема не превышает 30-40% от фотосбора в режиме, когда сцинтиллятор соприкасался бы с ФЭУ всем своим рабочим торцом; (в) чехол (n, , )-конвертора из карбида или нитрида бора является светонепроницаемым и часть сцинтилляций, возникающих в пластике, поглощается в чехле и не доходит до ФЭУ и, следовательно, не регистрируется; стойкость к удару такого детектора понижена из-за высокой гигроскопичности сцинтилляционного кристалла Nal-Тl; блок обработки сигналов известного детектора оказывается сложным из-за необходимости регистрации и обработки 4-х групп сигналов, различающихся по длительности и амплитуде.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов на основе пластика и 6 Li-силикатного стекла (Детектор для регистрации ионизирующего излучения. Патент РФ 2143711. Бюл. 36. 29.12.1999). Известный детектор содержит датчик-сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов. В состав датчика-сцинтиблока входят помещенные в единый корпус фотоэлектронный умножитель и три параллельно-последовательно соединенных сцинтиллятора: 1 - входной нейтронный сцинтиллятор, выполненный из чувствительного к быстрым нейтронам органического водородосодержащего вещества на основе пластмассы (СН)n или стильбена (сцинтиллятор с колодцем), играющий одновременно роль входного замедлителя быстрых нейтронов до тепловых энергий; 2 - размещенный в колодце входного сцинтиллятора сцинтилляционный кристалл Nal-Tl в стандартном контейнере, чувствительный к гамма-излучению; 3 - чувствительный к тепловым нейтронам внутренний сцинтиллятор на основе активированного церием 6 Li-силикатного стекла. Блок электронной обработки сигналов включает схему временной селекции сцинтиимпульсов от двух нейтронно-чувствительных сцинтилляторов и от гамма-чувствительного сцинтиллятора, а также спектрометрический анализатор для обработки сцинтиимпульсов от сцинтилляционного кристалла Nal-Tl.

Однако известный детектор имеет целый ряд недостатков: эффективность фотосбора сигналов от быстрых нейтронов, возникающих в пластике (СН)n, невысока из-за того, что сигналы, во-первых, поступают на фотоприемник (ФЭУ) только по периферийному кольцу, обеспечивая фотосъем сцинтилляций на уровне до 30-40% вследствие того, что кристалл Nal-Tl находится в непрозрачном корпусе и экранирует часть светового потока, возникающего в пластике, а во-вторых, вследствие того, что излучение быстрого пластикового сцинтиллятора не непосредственно попадает на ФЭУ, а поступает на него через стекло и частично поглощается в этом стекле, имеющем границу пропускания 350-380 нм, в результате чего может быть потеряно до 32-43% полезной информации;

пониженная стойкость к ударным нагрузкам, поскольку детектор содержит сцинтилляционный кристалл Nal-Tl, отличающийся высокой гигроскопичностью, что повышает требования к герметизации.

Таким образом, известный детектор, хотя и позволяет обнаруживать как быстрые, так и тепловые нейтроны, не может обеспечить их эффективную регистрацию.

Наиболее близким аналогом является сцинтилляционный детектор нейтронов (патент РФ 2272301), состоящий из датчика-сцинтиблока, включающего входной замедлитель нейтронов из водородосодержащего вещества, внутренний дискообразный сцинтиллятор из активированного церием 6 Li-силикатного стекла, находящийся в оптическом контакте с входным окном фотоэлектронного умножителя, и блока электронной обработки сигналов, отличающийся тем, что в датчике-сцинтиблоке за входным замедлителем нейтронов, выполненным в форме цилиндра с конусообразной полостью, расположены покрытый светоотражающей пленкой дополнительный входной сцинтиллятор из активированного церием 6 Li-силикатного стекла в форме полого конуса, дополнительный конусообразный замедлитель нейтронов и внутренний дискообразный сцинтиллятор из активированного церием 6 Li-силикатного стекла, при этом дополнительный входной сцинтиллятор в форме полого конуса расположен внутри входного замедлителя. Предлагаемое устройство - сцинтилляционный детектор - обеспечивает регистрацию с повышенной эффективностью быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Однако, устройство достаточно сложно в изготовлении, для него требуется создание входного замедлителя нейтронов в виде цилиндра с конусообразной полостью, а также выполнение из активированного церием 6 Li-силикатного стекла в форме полого конуса. Это делает сцинтилляционный детектор дорогим и сложным в производстве.

Детекторы тепловых нейтронов, основанные на газонаполненных (обычно гелием 3) пропорциональных счетчиках (Абрамов А.И. и др. Основы экспериментальных методов ядерной физики. Атомиздат, Москва, 1970 г.), имеют характерное время срабатывания порядка 1 микросекунды и могут работать при загрузках только до 10⁴ нейтрон/см²/с. Так как при исследовании ШАЛ с энергией 20 ПэВ и выше возникают потоки до 10⁶ нейтрон/см²/с, газонаполненные детекторы типа 18НМ-64, установленные на Тянь-Шаньской высокогорной станции «АТЛЕТ» ФИАН, оказались непригодны для решения данной физической задачи (G.I.Britvich et al. Prototype of Neutron Detector based on boron-containing plastic scintillator. Instruments and Experimental Techniques, Vol.7, No.5, 2004, pp.571-584). Предлагаемая полезная модель - быстродействующий сцинтилляционный детектор нейтронного излучения удовлетворяет как научным, так и техническим требованиям эксперимента.

Технический результат: упрощение и удешевление конструкции, улучшение характеристик в части возможности вести регистрацию с высокой чувствительностью (до 1,0 импульс/нейтрон/см²) быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов в диапазоне от 0,025 эВ до 10 МэВ при загрузках до 10⁶ нейтрон/см²/с.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показана конструктивная схема детектора, где 1 - герметичный светонепроницаемый корпус (полиэтилен), 2 - входной замедлитель (полиэтилен), 3 - сцинтиллятор, 4 - световод (полиметилметакрилат), 5 - ФЭУ, 6 - система высоковольтного питания фотоумножителя с усилителем-формирователем выходного сигнала. На Фиг.2 показана схема умножителя напряжения Кокрофт-Уолтона для фотоприемника, где 7 - фотоприемник, 8 - емкостно-диодный умножитель напряжения, 9 - повышающий трансформатор, 10 - транзисторные ворота, 11 - мастер-генератор, 12 - контрольная схема, 13 - цифро-аналоговый преобразователь, 14 - усилитель, 15 - компаратор, 16, 17 - стабилизаторы напряжения.

На Фиг.3 показан амплитудный спектр, полученный на нейтронном детекторе при работе в режиме запуска от триггера, выработанного при прохождении широких атмосферных ливней (ШАЛ).

Осуществление полезной модели

Решение задачи по упрощению и удешевлению конструкции и улучшению характеристик реализуются за счет исполнения корпуса детектора из полиэтилена и расположения деталей конструкции таким образом, что чувствительный объем расположен за входным замедлителем между слоями полиэтилена и полиметилметакрилата, который служит также световодом, за счет использования метода литья под давлением для изготовления пластического сцинтиллятора, за счет введения особой борсодержащей добавки в пластический сцинтиллятор, за счет повышения световыхода сцинтиллятора с помощью нестандартных сцинтиллирующих добавок.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в качестве чувствительного объема используется быстрый пластический сцинтиллятор с борсодержащей добавкой, изготовленный методом литья под давлением, расположенный между слоями замедлителя - полиэтилена и полиметилметакрилата, который также служит световодом. В качестве основы сцинтиллятора используется гранулированный полистирол марки BASF-143E с добавкой очищенного вазелина для предотвращения испарения ортокарборана, в качестве первичной добавки PBD, в качестве вторичной бис-метилстирилбензол (Bis-MSB), в качестве борсодержащей добавки ортокарборан. В качестве корпуса детектора используется полиэтилен толщиной 10 мм, который служит также замедлителем нейтронов. В качестве системы высоковольтного питания ФЭУ используется умножитель напряжения Кокрофт-Уолтона.

Принцип действия детектора основан на том, что на изотопе ¹⁰В, присутствующем в борсодержащей добавке (ортокарборане), происходит захват теплового нейтрона и в результате реакции ¹⁰В+n⁷Li+⁴He образуется -частица, которая вызывает вспышку света сцинтилляторе. Этот сцинтилляционный свет с длиной волны 420 нм переизлучается спектросмещающим волокном в область длин волн порядка 490 нм и затем регистрируется фотоприемником. Энергия -частицы (1,47 МэВ) достаточно высока, но из-за эффекта насыщения на образование фотонов в сцинтилляторе эффективно затрачивается около 100 КэВ. Поэтому для отделения полезного сигнала от шумов фотоприемника потребовался сцинтиллятор в повышенным световыходом. Для этой цели может быть использован, например, полистирольный борсодержащий сцинтиллятор марки ИФВЭ СЦ-331. В качестве основы сцинтиллятора используется гранулированный полистирол марки BASF-143E, в качестве первичной добавки - сцинтиллирующая добавка PBD (2-phenil-5-(4-biphenil)-1,3,4-oxadiaziole), в качестве вторичной добавки -спектросмещающая добавка Bis-MSB (1,4-bis-(2-methylstyryl)benzene). Добавка PBD при равных концентрациях с традиционной добавкой ПОПОП обеспечивает больший световыход. В дополнение к этому спектр излучения PBD в достаточно широком диапазоне перекрывается спектром поглощения Bis-MSB (340 нм - 360 нм), что позволяет повысить световыход сцинтиллятора примерно на 20% по сравнению с традиционным добавками - первичной паратерфенил (p-terphenyl) и вторичной ПОПОП (1,4-di-(5-phenyl-2-oxazolil)-benzene).

В качестве борсодержащей добавки был использован ортокарборан, что позволило ввести в полистирольную матрицу до 8% этой добавки без существенных потерь в световыходе сцинтиллятора (световыход сцинтиллятора с добавкой ортокарборан составляет 52% от антрацена). Так как ортокарборан испаряется при температуре литья полистирола (около 200°С), проблемой был процесс введения этой добавки в сцинтиллятор. Проблема была решена путем добавления в исходный гранулят небольшого количества очищенного вазелина, который препятствовал испарению. Для замедления нейтронов до тепловых энергий корпус детектора изготовлен из полиэтилена, чувствительный объем расположен между слоями полиэтилена и полиметилметакрилата, который служит также световодом. Схема детектора приводится на Фиг.1.

В качестве источника питания ФЭУ была выбрана схема умножителя напряжения Кокрофт-Волтона с низковольтным питанием ±12 В (Фиг.2). Измерения показали, что эта схема обеспечивает стабильность питания на уровне 10^-3 и способна работать при загрузках анодными токами ФЭУ до

1 мА. На Фиг.3 показан амплитудный спектр, полученный на нейтронном детекторе при работе в режиме запуска от триггера, выработанного при прохождении широких атмосферных ливней (ШАЛ). Испытания проводились в полевых условиях на Тянь-Шаньской высокогорной астрофизической станции (3340 м над уровнем моря). Хорошо отделяется нейтронный пик, по площади которого можно оценить общее количество образовавшихся в ШАЛ нейтронов.

Применение пластического сцинтиллятора с борсодержащей добавкой в качестве детектирующего (чувствительного) объема позволяет работать детектору нейтронов при загрузках до 10⁶ нейтрон/см²/с. Это обусловлено тем, что длительность импульса составляет около 50 нc по основанию и определяется, в основном, временем срабатывания фотоприемника. Время высвечивания сцинтиллятора составляет 2,5 нc.

1. Быстродействующий сцинтилляционный детектор нейтронного излучения, состоящий из корпуса, изготовленного из полиэтилена, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), системы высоковольтного питания ФЭУ с формирователем выходного сигнала, датчика-сцинтиблока, включающего входной замедлитель нейтронов, сцинтиллятор с борсодержащей добавкой в качестве чувствительного объема детектора, причем сцинтиллятор расположен за входным замедлителем нейтронов, отличающийся тем, что в качестве борсодержащей добавки использован ортокарборан, причем исходный гранулят содержит очищенный вазелин, чувствительный объем расположен между слоями полиэтилена и полиметилметакрилата, функция которого также служить световодом.

2. Быстродействующий сцинтилляционный детектор нейтронного излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве основы сцинтиллятора использован гранулированный полистирол марки, в качестве первичной добавки PBD, в качестве вторичной бис-метилстирилбензол.